车身设计&轻量化&安全专题2022年
本文中应用已验证的具有详细解剖学结构特征的中国3岁儿童乘员图斯特损伤仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），参照C-NCAP（2021年版）两种正面碰撞乘员保护动态试验，建立仿真模型。通过分析3岁儿童乘员在不同工况下的头部、颈部、胸部的运动学和生物力学响应，研究正面碰撞测评试验中3岁儿童乘员的损伤机理和不同工况下损伤的差异。结果表明：在运动学响应方面，与正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞试验相比，3岁儿童乘员在正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验中损伤风险更大，且远离碰撞侧的儿童损伤更严重；在生物力学响应方面，FRB碰撞中，3岁儿童乘员头部下颌与胸部接触可能出现轻微脑震荡。MPDB碰撞中，儿童出现向左的横向运动，头部下颌与右侧胸部接触，导致生物力学响应峰值较大，可能出现轻微脑震荡、肋骨骨折、肺部挫伤等损伤。
C-NCAP 2021版本颁布后，6 s保压侧面气帘的设计和开发成为挑战，本文旨在研究气帘关键部件之一的气体发生器。基于传热学理论，结合热力学等知识，把气体发生器给气帘的充气过程分成3个子过程，阐述了气体发生器对气帘保压过程的影响，详尽地梳理出气体发生器关键参数的作用和影响，进而通过理论和案例分析，得出如下结论：烟火式发生器并不适合于保压气帘；冷气式气体发生器产品竞争力不强；而价格上有优势的混合式气体发生器，只要其温度低于临界值，如450 K，就有可能满足气帘的保压要求。
为提高AZ31B镁合金激光焊接质量，采用纳秒脉冲激光清洗对试件表面进行焊前清洗。采用扫描电镜和能谱仪分析了不同清洗方式下的表面形貌和化学成分，通过高速摄影直接观测了激光焊接动态过程，研究了不同清洗方式和参数对表面清洗效果和焊接质量的影响。结果表明，纳秒脉冲激光清洗可有效去除镁合金表面的氧化膜，且试件表面呈现细密的微结构特征。与未处理和钢刷打磨处理相比，焊前激光清洗对镁合金激光焊接小孔和熔池的稳定具有积极作用；焊缝表面鱼鳞纹均匀细小，接头显微组织沿板厚方向分布均匀，气孔和裂纹等缺陷少。焊前激光清洗可显著提升镁合金激光焊接接头伸长率。与未处理和钢刷打磨处理相比，接头伸长率分别提高50.3%和16.4%。合适的激光清洗可有效清除镁合金表面氧化膜，改善表面微结构，得到较高的接头抗拉强度和伸长率。
基于平面运动理论提出了小重叠前撞时车辆滑移的理论分析方法，揭示了碰撞力与滑移量之间的关系，得到了实验和仿真的验证。将碰撞区域分为6个部分，提出了6阶碰撞力特征曲线。基于特征曲线和均匀设计法，通过提出的理论分析方法得到了车辆滑移量与不同特征曲线的样本空间。进一步，建立了BP神经网络，对特征曲线中6个区域的碰撞力值与滑移量进行了敏感度分析，识别出此工况下的最关键碰撞区域。本文提出的理论方法和进行的敏感度分析，为小重叠前撞的结构设计提供了理论支持。
在传统仿真的基础上，结合深度学习，提出了一种快速预测座椅鞭打性能的方法。首先对上汽大众某车型座椅进行了一系列材料级、零部件级、分总成级和整椅级的静态与动态物理实验，其次利用实验结果对已有的仿真模型进行了标定，标定结果验证了仿真模型的有效性。然后，利用全因子法对所有影响座椅鞭打性能的因素进行了仿真。基于仿真结果，利用深度学习方法建立了长短记忆（LSTM）神经网络模型，对假人的挥鞭伤害响应进行快速预测。结果表明：基于LSTM的神经网络模型预测的假人响应曲线能与仿真得到的曲线较好地吻合，故可用于后续的座椅鞭打性能优化。
汽车大灯在汽车与行人碰撞中会对行人腿部产生较大损伤，本文旨在通过研究汽车大灯在与行人碰撞工况下的失效行为，以提高其碰撞断裂失效模拟精度，从而在设计阶段对车辆的行人保护性能进行准确预测。文中以大灯灯壳PP-GF30材料为研究对象，基于静态、动态和断裂失效的材料力学试验来表征其弹塑性和断裂失效行为，通过对基于MAT_SAMP-1本构建立的PP-GF30材料断裂失效模型的仿真、大灯冲击子系统试验和汽车-行人腿部冲击试验对失效模型进行验证。结果表明：基于MAT_SAMP-1本构建立的PP-GF30失效模型的仿真精度较高，可准确地预测汽车大灯在汽车与行人碰撞过程中的断裂失效行为。该研究也可为其它相关塑料材料失效仿真模型的建立提供参考。
基于Abaqus的流体腔功能对前期建立的精细化心脏主动脉模型进行血液填充，构建血液-心脏主动脉流固耦合模型，并在主动脉瓣上根据实时的压差设置不同流率的流体交换接触。进行不同工况下驾驶员正面撞击转向盘的仿真，分析心脏血输出量和转向盘角度对主动脉钝性损伤的影响。结果表明：（1）碰撞过程中左心室向主动脉输出的血液降低了左心室的峰值血压，同时减缓主动脉内的血压波动，但对于主动脉的最大应力影响不明显；（2）转向盘倾角为30°时主动脉的最大应力达2 417 kPa，是由前胸壁对升主动脉的挤压导致的；（3）转向盘倾角为60°时主动脉的最大应力降至1 375 kPa，是由主动脉根部和降主动脉的相对拉伸位移导致的。
受马尾植物的启发，本文中提出了一种仿生自相似分层蜂窝结构，基于试验验证的有限元模型，对比分析了这种新型结构与传统蜂窝结构在多角度斜向碰撞工况下的耐撞性能，包括变形模式、应力应变曲线和吸能特性。结果表明：自相似分层蜂窝结构无论在理想正向碰撞工况还是斜向碰撞工况下都具有稳定的变形模式，且在碰撞角度变化时，具有稳定且优异的吸能性能。
本文中采用Euro NCAP行人模型认证（TB024）中给出的FCR 、MPV、RDS、SUV 4种典型汽车前端结构有限元模型，以及具有详细解剖学结构特征的6岁儿童行人有限元模型来模拟汽车-行人碰撞事故，分析典型工况下汽车前端结构参数对儿童行人下肢损伤的影响。结果表明，RDS车型由于机盖前沿离地间距较小，儿童行人撞击侧股骨大转子位置出现骨折现象；MPV和SUV车型由于扰流板离地间隙较大，对下肢胫骨、腓骨和膝关节韧带的损伤更为严重。最后，基于仿真结果提出了6岁儿童下肢长骨损伤的截面弯矩评价参数，为儿童腿型冲击器研发和数字测评提供参考。
本文中采用全生命周期分析方法对使用普通钢、先进高强度钢（AHSS）、铝合金和碳纤维复合材料（CFRP）等材料的某燃油车白车身在生产、行驶和报废回收各阶段的等效碳排放和能耗进行了分析，并讨论了行驶里程对不同材料车身减排效果的影响。结果表明：在当前技术条件下，用AHSS和铝合金代替普通钢作为白车身材料可降低碳排放和能耗，而用CFRP代替普通钢会增加碳排放和能耗；铝合金的全生命周期碳排放和能耗主要取决于生产阶段的碳排放和能耗水平，而材料的选择则与地区的碳排放和能耗水平有关，在普通碳排放和能耗水平的地区铝合金比AHSS更有优势，在高碳排放和能耗水平的地区则AHSS比铝合金更有优势；铝合金的减排效果随着行驶里程的增加而更显著。该燃油车在行驶15万km的情况下，其车身材料比例为 77.9% AHSS和22.1% 铝合金时，具有综合最优的碳排放和能耗水平。
为研究不同紧急避让姿态下骑车人运动学响应及损伤差异，采用THUMS人体有限元模型开发1类正常驾驶姿态和3种典型紧急避让姿态：被撞侧脚着地（SFL）、非被撞侧脚着地（NSFL）和双脚着地（LBF）。建立了汽车碰撞电动两轮车和骑车人的仿真模型，进行了8组仿真（20和40 km/h两种碰撞速度和4种驾驶姿态的组合），以对比分析头部损伤参数（峰值角加速度、峰值线性加速度、HIC15、颅内正压力、CSDM0.15 和最大主应变）和下肢的Von-mises应力分布，评估两轮车骑车人撞地损伤风险。结果表明：当车速为20 km/h时，正常姿态骑车人头部撞地损伤超过AIS 4+，各姿态下肢损伤均未超过骨折阈值；当车速为40 km/h时，各姿态骑车人头部撞地损伤均超过AIS 4+，紧急避让姿态LBF时头部损伤风险最高。正常姿态骑车人的下肢损伤风险最低，紧急避让姿态SFL骑车人下肢有骨折风险。该研究结果厘清了紧急避让姿态对骑车人撞地损伤的影响，为汽车安全技术研究提供重要参考依据。
现有驾驶员精神负荷评价研究多以驾驶场景中有无次任务来给定驾驶员的精神负荷分类标签，但驾驶员在正常驾驶情景下也可能由于陷入自我思维而导致精神负荷的增加；此外，由于个体差异，同一驾驶次任务对不同驾驶员精神负荷的影响也不尽相同。因此，由传统方法所制作的数据集可能存在噪声标签，从而影响精神负荷评价模型的训练效果。针对此类问题，本文中采用置信学习的方法对驾驶员的精神负荷分类标签进行检测和滤除，使用处理过的标签，以脑电、心电和皮电信号特征作为模型输入，基于支持向量机、随机森林、K近邻、决策树、逻辑回归和多层感知机等多种算法构建驾驶员精神负荷模型，对比分析噪声标签处理对提高各类模型性能的效果。结果表明：使用置信学习进行噪声标签处理后，所构建的多种驾驶员精神负荷模型的性能均得到了明显的改善，其中，支持向量机模型的性能提升的效果最佳。
为某12 m全承载混合动力城市客车建立车身有限元模型，通过强度、刚度、模态分析、结构轻量化和生命周期评价，分析车身结构优化对整车节能减排效果的影响。结果表明，与原车身骨架相比，结构优化后车身骨架质量减轻了52.5 kg，弯曲与极限扭转两种工况下均满足强度、刚度要求，且具有良好的固有振动特性。就全生命周期而言，轻量化后矿产资源消耗减少了0.4E04 kg Sb-eq.，化石能源消耗减少0.7E04 MJ，综合环境影响值减少0.42E11，减低率分别为3.81%、4.46%和4.56%。
本文中针对短纤维增强复合材料汽车尾门内板，提出一种包含材料-结构并行优化的轻量化设计流程。考虑纤维分层分布特点建立材料分层模型，在此基础上提出材料参数化本构模型，在改变材料参数时可快速预测其力学性能；根据纤维取向的分布特征，提出材料参数提取和映射方法，有效提升结构分析精度；考虑材料和结构设计变量，结合Kriging代理模型和基于边界搜索的改进粒子群优化算法，提出复合材料汽车尾门内板轻量化设计流程。最终结果，在保证多工况设计要求的同时，实现了材料和结构参数的并行优化，取得减质量10. 5%的轻量化效果。
本文旨在研究不同碰撞速度和行人步态条件下颈部肌肉主动力对行人头部损伤的影响。首先，采用湖南大学头颈HHNM-Ⅲ模型，取代LSTC假人模型头颈部分，构成行人混合假人模型并运用尸体实验数据验证该混合模型的有效性。然后运用该模型进行仿真，以分析不同碰撞速度下，撞击侧腿后摆和撞击侧腿前迈两种行人步态对行人头部损伤的影响。结果表明：在低速碰撞下，颈部肌肉会降低头部的运动幅度，但会使头部损伤风险增大；撞击侧腿后摆步态下的行人头部损伤比撞击侧腿前迈的步态严重；在高速碰撞条件下，颈肌对头部损伤的影响较小。
通过NHTSA和IIHS真实正面碰撞试验数据的统计和归纳，以及解析求解，分别建立采用C-NCAP评价的100%正面刚性壁障（FRB）碰撞和50%正面可渐进变形移动壁障（MPDB）偏置碰撞，以及采用中国保险汽车安全指数（C-IASI）评价的正面小重叠度壁障（SOB）偏置碰撞中碰撞波形和侵入量的评价方法，可为约束系统的匹配打下良好基础，为车辆获得优异的星级提供保障。
通过文献研究和仿真分析，确定座椅后撞动态试验的条件输入，并提出相应的座椅强度和假人伤害的要求。所提出的试验方法和要求可应用于校车座椅国标修订，将静态抗后倾试验升级为动态试验，解决静态试验不能反映实际交通事故中的性能的问题，适应技术发展的需要。
本文中应用已验证的具有详细解剖学结构的国人三岁儿童乘员生物力学模型，根据C-NCAP（2021版）要求，建立正面100%重叠刚性壁障碰撞试验模型进行仿真，以对比三岁儿童乘员在不同约束系统中头部、胸部的运动学和生物力学响应，对汽车碰撞中三岁儿童乘员保护进行分析评估。结果表明：使用安全带能大概率降低儿童乘员在汽车碰撞中遭受损伤的风险，五点式安全带对三岁儿童乘员的保护性能优于三点式安全带。应用具有高生物仿真度的儿童乘员生物力学模型，能应用生物力学评价参数对儿童乘员损伤机理进行深度分析，进而对儿童保护装置和试验车型进行全方位多层次的评估。
本文以行人保护测试系统发射装置为研究对象，采用高速液压弹射控制技术，分别阐述了发射装置的构成、高速液压缸的结构设计、高速液压发射的控制原理及电气控制系统。最后通过对各种冲击模型的实际测试进行了验证，结果表明：其发射速度稳定、准确、可靠，达到了试验要求。该装置可缓解目前国内行人保护测试设备主要依赖进口的局面，形成了采用高速液压缸进行行人保护试验测试设备的专有技术。
车身设计&轻量化&安全专题2022年
